PENGARUH UKURAN BAHAN BAKAR TERHADAP HASIL GAS REAKTOR BUBBLING FLUIDIZED BED GASIFIER Nur Aklis 1), Ary Descessar Prasetya Wibawa 2), Fery Rudiyanto 3) 1 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah surakarta email: nur.aklis@ums.ac.id 2 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah surakarta email: adezcesar@gmail.com 3 Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah surakarta email: ferry.rv465@gmail.com Abstrak Konsumsi bahan bakar minyak sektor transportasi yang cenderung naik ternyata tidak diimbangi dengan produksi minyak bumi sehingga perlu dilakukan usaha untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar minyak dengan mencari alternatif bahan bakar baru dan terbarukan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana pengaruh ukuran bahan bakar biomassa terhadap kinerja reaktor gasifier penghasil gas yang berpotensi untuk dapat mengganti bahan bakar minyak. Penelitian dilakukan pada reaktor tipe bubbling fluidized bed dengan ukuran diameter 464,38 mm dan tinggi 1368,5 mm. Bahan bakar yang digunakan adalah sekam padi dengan variasi ukuran 1,54 mm, 1,84 mm, dan 2,17 mm. Partikel bed yang digunakan adalah pasir silika dengan ukuran 0,54 mm. Sebelum pengujian reaktor dilakukan,terlebih dahulu dilakukan uji kecepatan minimum fluidisasi yang digunakan untuk menentukan kecepatan operasi. Pengujian untuk mengetahui pengaruh variasi ukuran bahan bakar terhadap hasil gas dilakukan dengan mengukur temperatur reaktor dan jumlah kalor yang dihasilkan dari pembakaran gas hasil gasifikasi. Pengujian dilakukan tidak kontinu dengan jumlah bahan bakar 5 kg setiap pengujian. Kecepatan operasi yang digunakan 4 m/s. Kalor dari gas hasil gasifikasi ditentukan dari uji pendidihan air dimana air yang digunakan sebanyak 2 liter. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ukuran bahan bakar berpengaruh terhadap besarnya kecepatan minimum fluidisasi dimana semakin kecil ukuran patikel kecepatan minimum fluidisasinya akan semakin kecil. rata-rata reaktor juga dipengaruhi oleh ukuran partikel dimana sekam 1,84 mm menghasilkan suhu reaktor tertinggi tetapi untuk kalor terbesar yang dihasilkan oleh sekam 1,54 mm. Kata Kunci:Bubbling Fluidized Bed Gasifier, Ukuran Bahan Bakar,Sekam Padi, Nilai Kalor 1. PENDAHULUAN Data Badan Pusat Statistik (BPS) menunjukkan jumlah kendaraan bermotor di Indonesia tahun 2013 tercatat 94.373. 324 dan naik menjadi 104.118.969 di tahun 2014 (www.bps.go.id). Pertumbuhan ini akan membawa manfaat untuk kepentingan pertumbuhan ekonomi tetapi di sisi lain akan menimbulkan persoalan tentang infra struktur dan penyediaan energi. Suplay energi untuk sektor transportasi masih bergantung pada bahan bakar minyak (BBM ) dimana pada tahun 2014 minyak mengambil proporsi 97,2 %. Prosentase minyak yang terlalu besar ini menimbulkan masalah ketahanan energi karena perkembangan produksi dan pasokan minyak bumi selama 2003-2013 menunjukkan kecenderungan menurun, masing-masing sebesar 419,26 juta barel pada tahun 2003 dan menjadi sekitar 300,83 juta barel pada tahun 2013. Dari hal itu diperlukan usaha untuk mencari alternatif energi yang diharapkan mampu memenuhi kebutuhan energi agar terhindar dari persoalan krisis energi. Salah satu sumber energi yang layak dipikirkan untuk pengganti energi fosil adalah biomassa. Merriem-webster mendefinisikan biomassa sebagai limbah dari tumbuhan dan hewan yang dapat digunakan sebagai sumber energi [1]. Sebagai negara agraris Indonesia 1287
memiliki potensi biomassa yang melimpah. Salah satunya sekam padi. Pada tahun 2015 tercatat produksi padi di Indonesia mencapai 75,36 juta ton gabah kering giling(www.bps.go.id). Jika diasumsikan 20 % dari padi kering giling ketika diproses menjadi beras akan menghasilkan limbah berupa sekam padi maka akan tersedia sekam padi sebanyak 15, 72 ton. Biomassa dapat dikonversi menjadi sumber energi yang lebih berguna dengan beberapa proses salah satunya adalah gasifikasi. Teknologi gasifikasi adalah teknologi konversi termokimia biomassa paling tua dengan proses perubahan struktur kimia biomassa pada suhu 500 o C 900 o C dengan menggunakan agen gasifikasi (contohnya air, oksigen, uap CO 2 atau campuran dari komponen tersebut) [2].Salah satu jenis reaktor gasifier yang saat ini banyak menarik minta meneliti adalah reaktor Bubblingfluidized bed gasifier. Reaktor ini bekerja dengan prinsip fluidisasi dimana fluidisasi adalah proses benda partikel diubah menjadi fase yang menyerupai cair melalui kontak dengan gas atau cairan[3]. Karakteristik hidrodinamika reaktor bubblingfluidized bed akan berpengaruh terhadap proses reaksi di dalam reaktor dimana faktor yang dapat berpengaruh terhadap karakteristik hidrodinamika suatu reaktor fluidized bed meliputi desain distributor, ukuran partikel bed, kecepatan dan kecepatan udara masuk[4]. Salah satu keunggulan dari reaktor fluidized bed gasifier adalah pada penggunaan bahan bakar dimana bahan bakar yang dipakai di reaktor fluidized bed gasifier dapat menggunakan beberapa jenis bahan bakar dan pada jangkauan ukuran yang fleksibel[1] namun demikian penelitian yang dilakukan oleh Najib dan Darsopuspito menunjukkan adanya pengaruh ukuran bahan bakar terhadap gas yang dihasilkan reaktor gasifikasi jenis downdraft[5]. Paper ini akan membahas bagaimana pengaruh ukuran bahan bakar terhadap gas yang dihasilkan proses gasifikasi pada reaktor bubbling fluidized bed 2. KAJIAN LITERATUR Aklis dan kawan-kawan telah melakukan studi eksperimen reaktor bubbling fluidized bed gasifier dengan bahan bakar sekam padi, dan campuran sekam padi dan serbuk gergaji kayu sengon dan campuran sekam padi dan serbuk gergaji kayu jati. Penelitian menggunakan reaktor diameter 464,38 mm dan tinggi 1368,5 mm dan distributor udara jenis nosel. Sebagai bed digunakan material pasir silika dengan diameter rata-rata 363 µm dan model reaktor tidak kontinu dimana untuk sekali proses bahan bakar yang digunakan sebesar 5 kg dengan massa pasir 10 kg. Kecepatan udara kereaktor sebesar 4 m/s. Gas hasil gasifikasi digunakan untuk menyalakan kompor dengan sebelumnya di filter dengan air. Gas Hasil gasifikasi dengan berbagai bahan bakar mampu mendidihkan 2 liter air pada kisaran waktu 22 sampai 44 menit dengan konversi biomassa menjadi energi kalor pada kisaran 5,72 % sampai 11,4 %[4]. Dengan metode dan instalasi eksperimen yang sama Aklis dan kawan kawan (2016)memvariasikan ukuran partikel bed yang digunakan pada proses gasifikasi. Material bed yang digunakan adalah pasir silika dengan ukuran 360 µm, 460 µm, dan 550 µm. Hasil penelitian menunjukkan pada variasi ukuran 360 µm pasir silika temperatur rata-rata pembakaran tertinggi sebesar 307,5 C, waktu nyala efektif sebesar 90 menit, waktu pendidihan air sebesar 22 menit dan efisiensi thermal reaktor sebesar 9,81%. Variasi ukuran 460 µm pasir silika temperatur rata-rata pembakaran tertinggi sebesar 135 C, waktu nyala efektif sebesar 110 menit, waktu pendidihan air sebesar 52 menit, dan efisiensi thermal reaktor sebesar 11,04%. Variasi ukuran 550 µm pasir silika temperatur ratarata pembakaran tertinggi sebesar 169,5 C, waktu nyala efektif sebesar 112 menit, waktu pendidihan air sebesar 40 menit, dan efisiensi thermal reaktor 9,68%[6]. Najib dan Darsopuspito melakukan penelitian tentang karakterisasi proses gasifikasi biomassa tempurung kelapa system downdraft kontinyu dengan variasi perbandingan udara-bahan bakar (AFR) dan ukuran biomassa. Proses gasifikasi dilakukan dengan pasokan biomassa secara kontinyu setiap 10 menit sebesar 0,45 kg, 0,48 kg, 0,5 kg, dan 0,52 kg selama 120 menit dengan ukuran biomassa (0,8-12,6) cm 2 dan (12,7-50,3) cm 2, serta dengan 4 variasi kecepatan 1288
suplai udara sebesar 3,57 m/s, 4,37 m/s, 5,05 m/s, dan 5,64 m/s. Hasil penelitian didapatkan nilai kalor bawah, komposisi syn-gas dan nyala api terbaik pada AFR 0,88 dan ukuran tempurung kelapa (0,8-12,6) cm². Besarnya nilai kalor bawah adalah 4718,33 kj/mᶟ, komposisi syn-gas 39,273% dari volume total serta nyala api yang dihasilkan berwarna biru. Sedangkan efisiensi gasifikasi terbaik terjadi pada AFR 1,17 untuk ukuran tempurung kelapa (0,8-12,6) cm² sebesar 52,030 % [5]. 3. METODE PENELITIAN Cara Penelitian Cara Penelitian dapat diliaht pada gambar 1. Penelitian dimulai dengan mempersiapkan alat dan bahan. Untuk bahan yang digunakan meliputi persiapan partikel material bed dan mempersiapkan ukuran biomassa sekam padi.setelah mendapatkan ukuran partikel dari proses pengayakan kemudian dilanjutkan dengan uji coba alat dengan menggunakan reaktor fluidized bed gasifier. Apabila reaktor dapat bekerja dengan baik maka dapat dilanjutkan untuk proses penelitian, tetapi apabila reaktor tidak dapat bekerja dengan baik maka akan dilakukan pengecekkan alat untuk memperbaiki kekurangan pada reaktor fluidized bed gasifier. Percobaan dimulai dengan memasukkan pasir silika, kapur dan sekam padike dalam reaktor untuk mencari kecepatan minimum fluidisasi. Jika kecepatan minimum fluidisasi tersebut sudah didapat maka diambil kecepatan minimum fluidisasi yang bisa digunakan untuk penelitian Gambar 1. Cara Penelitin Selanjutnya pasir silika, kapur, dan sekam padi dibakar dengan menggunakan burner diiringi dengan penyalaan kompresor yang telah di setting sesuai dengan kecepatan minimum fluidisasi. dalam reaktor diukur setiap 5 menit pada 6 titik pengukuran. Titik yang pertama (t 1 ) adalah temperatur pada pasir silika, titik yang kedua sampai keempat (t 2, t 3, dan t 4 ) adalah temperatur pada bahan bakar, serta titik yang 1289
THE 5 TH URECOL PROCEEDING 18 February 2017 UAD, Yogyakarta kelima dan keenam (t 5 dan t 6 ) adalah temperatur free board. Gas hasil pembakaran dari sekam padi keluar melalui pipa menuju tabung filter, kemudian dialirkan kembali melalui pipa menuju kompor modifikasi. Kemudian dilakukan pengukuran temperatur titik api, yaitu gas yang keluar dari kompor pada kondisi awal sebelum api menyala sampai api mati. Pengukuran temperatur pendidihan air dilakukan setiap 5 menit. Data yang di ambil meliputi temperatur rata-rata reaktor, temperatur titik api, dan temperatur pendidihan air. Percobaan dilakukan dengan variasi ukuran partikel bahan bakar yang berbeda yaitu dengan menggunakan ukuran partikel 1,54 mm, ukuran partikel 1,84 mm, dan ukuran partikel 2,17 mm. Setelah data diperoleh dari percobaan tersebut dilakukan analisa dan menarik kesimpulan dengan diiringi dalam pembuatan laporan. Instalasi Pengujian Gambar 2 menununjukkan instalsi pengujian yang digunakan. Reaktor yang digunakan adalah tabung dengan ukuran diameter 464,38 mm dan tinggi 1368,5 mm dengan jenis distributor nossel. Gambar 2 Instalasi Pengujian Keterangan : 1.Nozel Udara 2.Bed 3.Plenum 4.Anemometer 5.Reaktor Fluidized Bed 6.Pipa Sambungan 7.Pipa Saluran Tar 8.Kran 9.Tabung Filter 10.Meja 11.Kompresor 12.Thermorider 13.Sambungan Pipa 14.Kompor 15.Manometer U Alat dan Bahan Penelitian Untuk alat pelengkap yang digunakan pada penelitian ini diantaranya timbangan, stopwatch, thermometer, dan gelas ukur. Sedangkan bahan yang digunakan pada penelitian ini diantaranya sekam padi yang di ayak dengan susunan mesh 8, mesh 10, dan mesh 12. Sedangkan pasir silika di ayak dengan susunan mesh 30 dan mesh 35. Selain itu bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah kapur. Tiap satu kali proses pembakaran digunakan 5 kg sekam padi, 10 kg pasir silika, dan 1 kg kapur. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Kecepatan Minimum Fluidisasi Kecepatan minimum fluidisasi adalah salah satu parameter yang digunakan dalam proses fluidisasi dimana di titik ini fluidisasi terjadi.secara eksperimen besarnya kecepatan minimum fluidisasi dapat ditentukan dengan cara mengamati perubahan tekanan yang terjadi dalam bed saat kecepatan udara masuk ke reaktor ditambah. Dari ekperimen yang dilakukan diketahui nilai kecepatan minimum fluidisasi masing-masing 3 m/s untuk ukuran bahan bakar 1,54 mm, 3,2 m/s untuk ukuran 1,84 mm dan 3,4 m/suntuk ukuran 2,17 mm.dari data diketahui bahwa dengan bertambahnya ukuran partikel akan menyebabkan nilai kecepatan minimum fluidisasi naik. spengaruh Ukuran Bahan Bakar Terhadap Gas Hasil Gasifikasi Untuk mengetahui pengaruh ukuran Bahan Bakar terhadap gas yang dihasilkan reaktor gas hasil reaktor diuji untuk menyalakan burner yag digunakan untuk mendidihkan air. Karakteristik pemabakaran yang ditunjukkan reaktor dan data yang ditunjukkan pada proses pendidihan air digunakann untuk melihat perbedaan gas yang dihasilkan oleh reaktor. 1290
( C) 250 200 150 100 50 0 Perbandingan Rata-rata Dalam Reaksi Pada 3 Variasi Ukuran Sekam Padi 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Waktu (menit) rata-rata dalam reaksi 1,54 mm rata-rata dalam reaksi 1,84 mm rata-rata dalam reaksi 2,17 mm Gambar 3. Karakteristik Reaktor dengan ukuran bahan bakar 1,54 mm, 1,84 mm dan 2,17 mm Gambar 3 menunjukkan karakteristik temperaturreaktorpada saat proses reaksi dengan variasi ukuran bahan bakar 1,54 mm, 1,84 mm dan 2,17 mm. Distribusi temperatur rata-rata dalam reaktor pada variasi sekam 1,54 mm dan 1,84 mm cenderung sama, dengan temperatur tertinggi didapatkan ukuran bahan bakar pada ukuran 1,84 mm dengan temperatur 237 o C sedangkan pada variasi sekam 2,17 mm distribusi temperaturnya cenderung lebih rendah. Perbedaan yang terlihat pada ketiga variasi ukuran sekam padi adalah lama waktu proses pembakarannya. Pada variasi sekam padi ukuran 1,54 mm proses pembakarannya berlangsung selama 75 menit, sedangkan pada variasi sekam 1,84 mm proses pembakarannya berlangsung selama 80 menit, dan pada variasi sekam 2,17 mm proses pembakarannya berlangsung selama 90 menit. Gambar 4 menunjukkan perbandingan temperatur pendidihan air pada 3 variasi ukuran sekam padi, yaitu pada ukuran 1,54 mm, 1,84 mm, dan 2,17 mm. Dari gambar dapat dilihat temperatur mula-mula air pada 3 variasi ukuran sekam padi adalah 25 C. Distribusi temperatur pendidihan air dari ketiga variasi ukuran sekam padi cenderung sama, tetapi waktu yang dibutuhkan untuk mencapai air mendidih cenderung berbeda.untuk mendidihkan 2 liter air, gas yang dihasilkan ukuran bahan bakar 1,54 butuh waktu 55 menit, dengan bahan bakar ukuran 1,84 mm butuh waktu 50 menit dan 40 menit dengan bahan bakar 2,17 mm yang merupakan waktu tercepat. adalah 40 menit, yaitu pada ukuran sekam 2,17 mm. 1291
( C) 120 100 Perbandingan temperatur pendidihan air pada 3 variasi ukuran sekam padi 80 60 40 pendidihan air 1,54 mm pendidihan air 1,84 mm 20 0 0 10 20 30 40 50 60 Waktu (menit) pendidihan air 2,17 mm Gambar 4. pendidihan air pada 3 variasi ukuran bahan bakar 1,54 mm, 1,84 mm, dan 2,17 mm Data dari pengamatan temperatur air digunakan untk menghitung kalor yang dikonversi dari bahan bakar gas dengan menghitung kalor sensibel dan kalor laten. Kalor laten dihitung dengan menggunakan penurunan air saat dipanaskan sebagai asumsi bagian air yang berubah menjadi uap. Nilai kalor total pembakaran dapat dilihat pada tabel 1 Dari tabel didapatkan gas dari sekam 1,54 mm menghasilkan kalor 1870,083 kj,sedangkan padi ukuran 1,84 mm jumlah kalornya sebesar 1621,837 kj dan 2,17 mm menghasilkan kalor sebesar 1554,167 kj. Jadi dari ketiga variasi ukuran sekam padi yang memiliki kalor adalah padi ukuran 1,54 mm dengan kalor sebesar 1870,083 kj. Ukuran bahan bakar yang lebih kecil menyebabkan jumlah bahan bakar yang terkonversi menjadi lebih besar sehingga akan menghasilkan gas yang lebih besar. Hal ini selaras dengan hasil yang didapatkan oleh Najib dan Darsopuspito dimana ukuran bahan bakar akan menaikkan kualitas syngas yang dihasilkan. Tabel 1 Nilai Kalor Hasil Pembakaran Ukuran (mm) Jumlah Kalor 1,54 1870,083 1,84 1621,837 2,17 1554,167 5. KESIMPULAN Pengujian pengaruh ukuran bahan bakar terhadap gas hasil gasifikasi dengan reaktor bubbling fluidized bed gasifierdengan ukuran diameter 464,38 mm dan tinggi 1368,5 mm dan jenis distributor nossel.ukuran bahan bakar yang digunakan sekam padi dengan ukuran 1,54 mm, 1,84 mm dan 2,17 mm. Berdasarkan analisa dan pembahasan data hasil pengujian pengaruh ukuran bahan bakar terhadap kerja pada reaktor fluidized bed gasifier didapat kesimpulan sebagai berikut : a) Semakin besar ukuran partikel maka semakin besar pula kecepatan minimum fluidisasinya. b) Ukuran bahan bakar akan berpengaruh terhadap temperatur reaktor dan jumlah 1292
kalor yang dihasilkan oleh gas hasil gasifikasi dimana jumlah kalor terbesar dihasilkan bahan bakar dengan ukuran 1,54 mm dengan kalor yang dihasilkan sejumlah 1870,083 kj yang dilakukan pada pengujian dengan menggunakan sekam 1,54 mm. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] M. Siedlecki, W. de Jong, and A. H. M. Verkooijen, 2011, Fluidized bed gasification as a mature and reliable technology for the production of bio-syngas and applied in the production of liquid transportation fuels-a review, Energies, vol. 4, no. 3, pp. 389 434. [2] K. Göransson, U. Söderlind, and W. Zhang, 2011, Experimental test on a novel dual fluidised bed biomass gasifier for synthetic fuel production, Fuel, vol. 90, no. 4, pp. 1340 1349. [3] D. Kunii and O. Levenspiel, 1991, Fluidization Engineering,second edition,butterworth Heinemann Series in Chemical Engineering, Boston. [4] Aklis. N., Riyadi. M.A., Rosyadi. G, Cahyanto. W.T., Studi Eksperimen Konversi Biomassa menjadi SynGas Pada Reaktor Bubbling Fluidized Bed Gasifier, Seminar Nasional Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi (Retii ke -10), 19 Desember 2015, Yogyakarta, Indonesia, pp. 973 978, 2015 [5] Najib, L. dan Darsopuspito.S, 2012, Karakterisasi Proses Gasifikasi Biomassa Tempurung Kelapa Sist. Downdraft Kontinyu dengan Variasi Perbandingan Udar. Bakar dan Ukuran Biomassa, Jurnal Teknik ITS, vol. 1, no. 1, pp. 12 15, 2012. [6] Aklis. N., Cahyanto. W.T.,Riyadi. M.A., Rosyadi. G, Pengaruh Ukuran Partikel Bed Terhadap Syngas Yang Dihasilkan Bubbling Fluidized Bed Gasifier, 3rdUrecol, 9 Februari 2016, Kudus, Indonesia, pp. 86 93, 2016. 1293
1294